工業以太網和基于Internet的遠程監控系統

計算機和網絡技術的發展，引發了控制領域深刻的技術變革。控制系統結構向網絡化、開放性方向發展將是控制系統技術發展的主要潮流。以太網作為目前應用最為廣泛的局域網技術，在工業自動化和過程控制領域得到了越來越多的應用。同時，隨著Internet遍及世界的每一個角落，人們已經進入了一個嶄新的現代通信技術的時代。依靠以太網和Internet技術實現信息共享，能給辦公自動化帶來很大的變革，也必將對控制系統產生深遠的影響。　　　　
　　一、工業以太網——控制系統網絡發展的主要方向
　　　 一般來講，控制系統網絡可分為3層：信息層、控制層和設備層(傳感/執行層)。傳統的控制系統在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現場總線或其他專用網絡。目前，以太網已經滲透到了控制層和設備層，幾乎所有的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網接口的產品。以太網之所以給自動化市場帶來風暴式的革命，主要有3個原因：　　　　
　　(1)低成本的刺激和速度的提高。以太網適配器的價格大幅度下跌以及各種產品和標準對以太網的支持是其成功的重要因素。20世紀80年代，10Mb/s的網卡售價近1000美元；現在100Mb/s的網卡售價僅為20美元左右，而且很多PC機已經集成有以太網接口。以太網最初的數據傳輸速度只有10Mb/s。隨著1996年快速以太網標準的發布，以太網的速度提高到了100Mb/s。1998年，千兆位以太網標準的發布將其速度提高到最初速度的100倍。最初的以太網需要1.2ms才能傳送一個1518B大小的幀；現在，快速以太網已經將這一時間減少到120μs；如果采用千兆位以太網，這一時間只需12μs。現代以太網標準，比如交換、全雙工傳輸、實時數據的優先級、帶寬由10Mb/s到100Mb/s乃至1000Mb/s的升級，使以太網成為工業自動化網絡中首選的傳輸方式。　　　　
　　(2)現代企業對實時生產信息有越來越多的要求。當前，人類已經進入了以互聯網為基礎的知識經濟時代，企業活動也已擴展到全球范圍，生產系統中最主要的3大要素：物質、能源和信息之間的關系發生了巨大變化，信息已成為最活躍的主導性因素。為了提高生產的效率和效益，人們迫切需要了解生產過程的實時數據，將實時生產信息與企業的ERP系統結合起來。而企業的信息層大多數采用了以太網的解決方案，當控制層和設備層都采用以太網時，則可實現各層之間信息的無縫連接，而且整個網絡系統將是透明的。
　　(3)以太網的開放性和兼容性。現場總線從1984年開始提出到現在，共產生了60多個數字通信網絡標準，有5000多種支持這些網絡的產品。這些標準分別為不同的公司所擁有，并與他們的產品捆綁在一起，相互之間兼容性很差。這給那些使用多家產品的大型系統的集成和維護帶來了很大的麻煩，因此迫切需要建立一個統一、開放的通信標準。工業以太網因為采用由IEEE802.3所定義的數據傳輸協議，它是一個開放的標準，從而為PLC和DCS廠家廣泛接受。與現場總線相比，以太網還具有向下兼容性。快速以太網是在雙絞線連接的傳統以太網標準(10Base-T)的基礎上發展起來的，但它的傳輸速度從10Mb/s提升到了100Mb/s。在大多數場合，它還可以使用現有的布線。此外，以太網還允許逐步采用新技術。也就是說，沒必要一下子改變整個網絡，可以一步步將整個網絡升級。　　　　
　　二、 工業以太網的特點　　　　
　　盡管工業以太網與普通商用以太網同樣符合IEEE802.3標準，但是由于工業以太網設備的工作環境與辦公環境存在較大差別，所以工業以太網設備要求工作溫度范圍較寬、封裝牢固(抗振和防沖擊)、導軌安裝、電源冗余、24V DC供電等。一般來說，工業以太網設備與普通商用以太網設備之間的區別，如附表所示。

　　工業自動化還越來越多地要求工業以太網解決方案必須滿足魯棒性和可靠性方面的專門需要。在這一方面，德國赫斯曼公司(Hirschmann)一直處于領先位置，他們從80年代末就開始研究冗余以太網，擁有“環形以太網冗余”的專利(Europe-EP 0403763, USA-No.5.218.600)。該專利采用抗干擾的光纖和集成的冗余機制增強了數據網絡的可靠性，從而保證了生產過程的正常進行。　　　　
　　過去，由于沒有其他可供選擇的方案，冗余網絡都是采用雙總線方式實現的。現在，以太網和交換技術使得建立冗余環網成為可能。只需在總線的兩端之間增加一條鏈路即可實現高效率、高性價比的冗余。赫斯曼公司的集線器和交換機均可以構成環形拓撲結構用在關鍵的場合，以保證所需的容錯功能。　　　　
　　赫斯曼公司的集線器(Hub)系統可以用于構造網格狀結構的共享網絡，保證即使同時發生多處故障時，網絡仍然正常運行。該Hub的一個特點是當發生故障時可以在20ms內切換到冗余鏈路。　　　　
　　赫斯曼公司的導軌系列交換機的冗余管理器功能允許將總線結構封閉形成冗余環。如果一條鏈路發生故障，環形結構將切換為具有全部傳輸能力的總線結構，對于多達50臺交換機構成的環，這一切換時間小于500ms。對于規模小的冗余環，這一時間會更短。　　　　
　　嵌入到導軌系列交換機中的智能控制功能允許實現多網段間的冗余連接。兩個網段之間可以通過兩條獨立的鏈路相連，每條鏈路連接不同的交換機。連接主鏈路的交換機與連接冗余鏈路的交換機之間通過一根控制線交換它們的工作狀態數據。當主鏈路發生故障時，冗余交換機立即啟動冗余鏈路。一旦主鏈路恢復正常，連接主鏈路的交換機即將這一狀態通知連接冗余鏈路的交換機。主鏈路工作，冗余鏈路斷開。整個故障的檢測和處理時間小于500ms。這樣，在某條鏈路或者某個設備發生故障持續500ms以后，網絡又變得完全可用。　　　　
　　三 Internet技術提供了快捷經濟的遠程監控方式
　　 隨著以太網技術的飛速發展，基于TCP/IP和Client/Server架構的分布式監控技術已經日趨成熟。但若要實現遠程監控，一般仍需通過撥號方式登錄遠程服務器或者直接與控制器建立通信，這種方式比較簡單、易于實現，但存在如下不足之處：　　　　
　　(1)使用成本高。因為遠程監控的距離一般較遠，采用直接撥號方式會帶來高額的國內甚至國際長途電話費用。
　　(2)工作效率低。直接撥號方式只有當斷開連接以后才可以進行新的撥號，這中間還需要等待一段時間讓Modem復位。而且，這種方式無法做到同時監控多個不同的對象。　
　　(3)可用性不高。直接撥號方式需占用一條電話線路。撥號端不能預先知道對方是否正在通話，尤其是當系統在發生故障的情況下自動向上報警時會因為線路忙而不能接通。
　　(4)傳輸速率低。Modem直接連接的速度一般都很低，為19.2kb/s左右，不能滿足數據量日益增長的需要。　
　　 實際上，遠程監控完全可以通過Internet方式實現。目前，許多HMI軟件除了支持標準Client以外，還支持Web Client和Terminal Server Client，但由于TCP/IP通信的兩端必須有不同的IP地址來標識，在局域網上，每臺計算機可以自行分配IP地址，這些計算機的IP地址是固定的。在互聯網上，由于IP地址資源的限制，不可能讓用戶自行分配IP地址，用戶每次通過ISP撥號上網后，由ISP自動分配用戶IP地址，下網后，自動釋放此IP地址。因此，若要使用Web Client和Terminal Server Client并使用Internet方式實現遠程監控，必須為Web Server或Terminal Server設定IP地址。而在互聯網上申請一個固定IP地址的費用非常高，因此這種方式不太現實。　　　　
　　為了提供快捷經濟的遠程監控技術，上海海得控制系統股份有限公司做了大量的研究，所開發的基于Internet的遠程監控系統無需用戶申請固定的IP地址，從而給用戶帶來了很大便利。與直接撥號方式相比，采用基于Internet的遠程監控具有許多優點。
　　(1)它不存在國內和國際長途電信費用，不管用戶的設備在何地，所需費用僅為市話費加上網費；
　　(2)多點可同時對一點進行監控，當多個用戶同時向監控中心發出故障信息時，不存在“忙音”問題；并且監控中心可以對多個客戶進行監控，切換時間可達毫秒級；
　　(3)可以在一根線路上同時傳輸數據、語音、圖像，實現數據、語音、圖像三網合一；
　　(4)可以實現同步運行監控軟件和PLC編程軟件，從而實現遠程修改程序參數、上下載PLC控制程序。　
　　　
　　四 工控技術的“IT”化將重建企業網絡模型　　　　
　　工業以太網和Internet技術的發展將完全改變傳統工業企業的網絡架構。工業以太網已經從信息層向下延伸到控制層和設備層。需要注意的是，由于企業的3層網絡傳輸的數據類型和對實時性的要求不同，所以雖然從上到下都是工業以太網，但在不同層次之間還需設置路由器或網橋(如附圖所示)。使用路由器可以阻斷以太網上的廣播信息，但如果所選擇的路由器速度太慢，則會形成傳輸的瓶頸。
　　以太網本質上只是一個物理層標準。目前在傳輸層和網絡層的協議基本上已經統一，TCP/IP已為多數工業控制器廠家所接受。在應用層的協議上還存在著分歧，目前3個主要的競爭對手是Modbus/TCP(基于TCP/IP的Modbus協議)、EtherNet/IP(基于TCP/IP的Control-Net/DeviceNet)和基于以太網的Profinet協議。Modbus由于它本身是一個開放的協議，為眾多的供應商所支持，所以如果說在現場以太網方面存在事實上的標準，只能是Modbus。但從市場和利益角度考慮，工業以太網在應用層的統一還需要比較長的時間。由于以太網本身的開放性，它允許在同一個網絡上運行不同的應用層協議，在許多實際應用中具有明顯的無可替代的優勢。　　　　
　　采用以太網架構以后，控制器的位置也可以突破傳統網絡架構的限制，可以位于現場，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至遠程I/O支持以太網的功能越來越強，在有些控制器和遠程I/O模塊中已經集成了Web服務器，從而允許信息層的用戶也可以和控制層的用戶一樣直接獲取控制器和遠程I/O模塊中的當前狀態值。采用以太網架構和開放的軟件系統的制造企業也被稱為“透明工廠”。　　　　
　　此外，通過Internet可以實現對工業生產過程的實時遠程監控，將實時生產數據與ERP系統以及實時的用戶需求結合起來，使生產不只是面向定單的生產，而是直接面向機會和市場的“電子制造”，從而使企業能夠適應經濟全球化的要求。　　　　
　　五 結束語　　　　
　　毫無疑問，以太網在工業自動化網絡方面扮演著一個非常重要的角色。根據對三大汽車制造商的最新研究結果，以太網至少可以適用于70%的現場網絡，這意味著工業以太網有著非常廣泛的前景。隨著在工業領域的進一步應用，以太網不僅會對企業內部的通信系統產生巨大的改進，保護既有的投資，還將對企業的管理和運營方式產生深遠的影響。